بررسی تأثیر اندازه ذرات پودر بر ریزساختار، خواص مکانیکی و هدایت الکتریکی سرامیک های سدیم بتا آلومینا

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

مقاله 8، دوره 10، شماره 36 - شماره پیاپی 4، تیر 1398، صفحه 107-116   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

هاجر احمدی مقدم^{* 1}؛ محمد حسین پایدار²

¹استادیار، گروه مهندسی مواد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهرکرد

²استاد، بخش مهندسی مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه شیراز

تاریخ دریافت: 20 فروردین 1398،  تاریخ بازنگری: 25 خرداد 1398،  تاریخ پذیرش: 02 تیر 1398 

چکیده

کنترل ریزساختار الکترولیت سدیم بتا آلومینا، مورد استفاده در ساخت باتری‌های سدیم سولفور، برای دست‌یابی به خواص مکانیکی و هدایت یونی مناسب اهمیت زیادی دارد. در این تحقیق تأثیر اندازه ذرات پودر سدیم بتا آلومینا بر ریز ساختار نهایی و خواص این سرامیک بررسی شده است. برای این منظور پودر سدیم بتا آلومینا سنتز شده به روش حالت جامد، برای مدت زمان‌های متفاوت 30 دقیقه، 2، 6 و 10 ساعت تحت آسیا سایشی قرار گرفت. نتایج نشان داد که زمان آسیا تأثیر بسزایی بر تغییر اندازه ذرات اولیه پودر و در نتیجه بر رفتار چگالش، ریزساختار و نهایتاً بر استحکام شکست و هدایت یونی الکترولیت سدیم بتا آلومینا خواهد داشت. با افزایش زمان آسیاکاری از 30 دقیقه به 6 ساعت و کاهش متوسط اندازه ذرات پودر از حدود 2 به 7/0 میکرومتر، رفتار چگالش پودر حاصل به دلیل افزایش نیروی محرکه تف‌جوشی بهبود یافت و منجر به افزایش استحکام شکست و هدایت یونی در دماهای بالا به ترتیب تا حدود 65 و 100 درصد گردید. با افزایش زمان آسیاکاری به 10 ساعت، به دلیل ایجاد ریزساختار غیریکنواخت، افت در خواص مکانیکی و الکتریکی سرامیک سدیم بتا آلومینا مشاهده شد. نتایج این مطالعه همچنین نشان داد که می‌توان رابطه‌ای خطی بین استحکام شکست و دانسیته نمونه‌های تولیدی برقرار نمود.

کلیدواژه‌ها

سدیم بتا آلومینا؛ زمان آسیا؛ ریز ساختار؛ استحکام؛ هدایت یونی

عنوان مقاله [English]

Investigating the effect of particle size on microstructure, mechanical properties and electrical conductivity of sodium beta-alumina ceramics

نویسندگان [English]

Hajar Ahmadimoghadam¹؛ Mohammad Hossein Paydar²

¹Department of Material Engineering, Faculty of Engineering, Shahrekord University, Shahrekord

²Department of Materials Science and Engineering, School of Engineering, Shiraz University, Shiraz

چکیده [English]

The microstructure control of sodium beta-alumina electrolyte used in the manufacture of sodium sulfur batteries is important for obtaining appropriate mechanical and ionic conductivity properties. In this research, the effect of particle size of sodium beta-alumina powder on the final microstructure and properties of this ceramic has been investigated. For this purpose, solid-state-synthesized sodium beta-alumina powder was milled by attrition milling for 30 min, 2, 6, and 10 hours. The results showed that the milling time had a significant effect on the powder particle size and consequently on the condensation behavior, microstructure, and finally on the fracture strength and ionic conductivity of sodium beta-alumina electrolyte. By increasing the milling time from 30 minutes to 6 hours and reducing the average particle size of the powder from about 2 to 0.7 microns, the resulting powder condensation behavior improved due to increased sintering diving force, resulting in increased fracture strength and ionic conductivity of up to 65% and 100%, at high temperatures. With increasing the milling time to 10 hours, due to the development of non-uniform microstructure, a decrease in the mechanical and electrical properties of sodium beta-alumina ceramic was observed. The results of this study also showed a linear relationship between the fracture strength and the density of the samples can be established.

کلیدواژه‌ها [English]

Sodium beta-alumina, Milling time, Microstructure, Strength, ionic conductivity

مراجع

References:

 

[1] G. Y. Onoda and  L. L. Hench, Ceramic Processing Before Firing, Wiley, New York, 1978.   

[2] M. Barsoum and M.W. Barsoum, Fundamentals of Ceramics, CRC press, 2002.

[3] M. N. Rahaman, Ceramic Processing and Sintering, Marcel Dekker, New York, 1995.

[4] S.S. Razavi-Tousi and J. A. Szpunar, "Effect of ball size on steady state of aluminum powder and ef fi ciency of impacts during milling", Powder technology, vol. 284, pp. 149–158, 2015.

[5] S. Maleki and A. Karimi-jashni, "Effect of ball milling process on the structure of local clay and its adsorption performance for Ni (II) removal", Applied Clay Science, vol. 137, pp. 213–224, 2017.                  

[6] P. Kuziora, M. Wyszyńska, M. Polanski and J. Bystrzycki, "Why the ball to powder ratio (BPR) is insufficient for describing the mechanical ball milling process", Journal of Hydrogen Energy, Vol. 39, pp. 9883-9887, 2014. 

[7] X. Lu, G. Xia, J. P. Lemmon, and Z. Yang, "Advanced materials for sodium-beta alumina batteries : Status , challenges and perspectives", Journal of Power Sources, vol. 195, pp. 2431–2442, 2010.

 

[8] Z. Wen, Z. Gu, X. Xu, J. Cao, F. Zhang, and Z. Lin, "Research activities in Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences on the solid electrolytes for sodium sulfur batteries", Journal of Power Sources, vol. 184, pp. 641–645, 2008.        

[9] C. Zhu, J. Xue, and G. Ji, "Effect of Na₂O content on properties of beta alumina solid electrolytes," Materials Science in Semiconductor Processing, vol. 31, pp. 487–492, 2015.  

[10] H. Ahmadi Moghammad, and M. H. Paydar, "Investigation of Sm₂O₃ additive on mechanical and electrical properties of Li₂O- stabilized β ″ -alumina electrolyte", Journal of Applied Ceramic Technology, vol. 14, pp. 1183–1189, 2017.    

[11] T. Oshima, M. Kajita, and A. Okuno, "Development of Sodium-Sulfur Batteries", Journal of Applied Ceramic Technology, vol. 1, pp. 269–276, 2004.

[12] L. Yang, S. Shan, X. Wei, X. Liu, H. Yang, and X. Shen, "The mechanical and electrical properties of ZrO₂–TiO₂–Na-β/β″-alumina composite electrolyte synthesized via a citrate sol–gel method", Ceramics International, vol. 40, pp. 9055–9060, 2014.      

]13[.ه. احمدی مقدم و م. ح. پایدار،"بررسی سنتز و رفتار چگالشβ″-آلومینا به عنوان الکترولیت باتری‌های سدیم سولفور"، مجله مواد نوین، دوره 6، شماره 22، ص 146-137،زمستان 1394.       

[14] H. Ahmadi Moghadam and M. H. Paydar, "The effect of nno CuO as sintering aid on phase formation , microstructure and properties of Li₂O-stabilized β″-alumina ceramics", Journal of Ceramic Science and Technolog, vol. 7, pp. 441–446, 2016.     

[15] D. Xu, H. Jiang, M. Li, O. Hai, and Y. Zhang, "Synthesis and characterization of Y₂O₃ doped Na–β″-Al₂O₃ solid electrolyte by double zeta process", Ceramics International, Vol. 41, pp. 5355-5361, 2015.

[16] C.L. Dirksen, K. Skadell, M. Schulz and M. Stelter, "Effects of TiO₂ doping on Li⁺-stabilized Na-β″-alumina for energy storage applications", Separation and Purification Technology, Vol. 213, pp. 88-92, 2019.